Giáo trình Điều khiển điện khí nén - Trường Trung cấp Kinh tế Kỹ thuật Quận 12 được biên soạn với các bài học cơ sở lý thuyết về khí nén; máy nén khí và thiết bị xử lý khí nén; thiết bị phân phối và cơ cấu chấp hành; các phần tử trong hệ thống điều khiển; cơ sở lý thuyết điều khiển bằng khí nén; thiết kế mạch điều khiển điện khí nén.
Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình ĐK điện khí nén tài liệu dùng để dạy cho học sinh, sinh viên chun ngành điện dân dụng cơng nghiệp nhằm hình thành kiến thức ứng dụng, kỹ thực hành nghề thái độ nghề nghiệp trình độ trung cấp, cao đẳng phạm vi môn học Ngồi ra, dùng làm tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên, học sinh, sinh viên, cơng nhân lĩnh vực nghề nghiệp có nội dung thực hành liên quan Nội dung giáo tình bao gồm phần: Cơ sở lý thuyết khí nén, máy nén khí thiết bị khí nén, thiết bị phân phối chấp hành, thiết kế mạch khí nén dùng phổng máy điện dùng phần mềm mô phổng như: fluidsim 3.6 để mô phổng Tài liệu giáo viên môn điện dân dụng công nghiệp, khoa công nghệ điệnđiện lạnh, Trường Trung cấp Kinh Tế Kỹ Thuật Quận 12 thành phố Hồ Chí Minh biên soạn, theo chương trình khung sở Lao Động Thương Binh Xã Hội Hy vọng giáo trình giúp cho giáo viên học sinh, sinh viên việc giảng dạy, học tập môn học đạt kết tốt, với chất lượng hiệu cao Với kinh nghiệm trình độ cịn hạn chế, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp, bảo chuyên gia, giáo viên, giảng viên, bạn đọc quan tâm, để bổ sung điều chỉnh cho giáo trình ln cập nhật hồn thiện theo hướng bản, đại phù hợp với điều kiện Việt Nam nhu cầu xã hội Mọi ý kiến xin gửi : Khoa Công Nghệ điện – điện lạnh Trường trung cấp kinh tế kỹ thuật Quận 12 Số 36HT11 – Phường Hiệp Thành – Quận 12 Chúng xin chân thành cám ơn đồng nghiệp khoa công nghệ điện – điện lạnh, trường Trung cấp kinh tế Kỹ Thuật Quận 12 có đóng góp q báu để giáo trình hồn thành TP.HỒ CHÍ MINH, ngày… tháng… năm 2017 Tham gia biên soạn GV Nguyễn Thành Công Chủ biên Trang Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 MỤC LỤC TÊN MƠN HỌC: Mã mơn học: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN MH19 I Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học mơn sở kỹ thuật chuyên ngành, chuẩn bị kiến thức cần thiết cho phần học kỹ thuật chuyên môn Mô đun học sau môn học: An tồn điện; Mạch điện - Tính chất: Là môn chuyên ngành thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc II Mục tiêu môn học Trang Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 - Về kiến thức: Hiểu hệ thống khí nén, logic điều khiển, phương pháp điều khiển, thiết lập mạch điều khiển điện khí nén - Về kỹ năng: + Hình thành kỹ lập chương trình điều khiển + Đọc sơ đồ điều khiển điện - khí nén, thiết lập mạch điều khiển điện khí nén - Về lực tự chủ trách nhiệm: Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, xác, tư khoa học sáng tạo III Nội dung môn học: Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Thời gian (giờ) Thực Số TT Tên chương mục Tổng Lý số thuyết hành, thí nghiệm, thảo luận, Kiểm tra tập Bài Cơ sở lý thuyết khí nén Bài Máy nén khí thiết bị xử lý khí nén Bài Thiết bị phân phối cấu chấp hành Bài Các phần tử hệ thống điều khiển Bài Cơ sở lý thuyết điều khiển khí nén Bài Thiết kế mạch điều khiển điện khí nén Cộng: 2 3 21 17 15 10 26 75 Nội dung chi tiết: Trang 15 25 58 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 BÀI 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN Mục tiêu - Trình bày khái niệm đặc điểm hệ truyền động khí nén - Phân tích đại lượng đặc trưng khí nén ứng dụng chúng công nghiệp - Rèn luyện tính chủ động, nghiêm túc học tập công việc Nội dung: Khái niệm chung Ứng dụng khí nén có từ thời kỳ trước công nguyên, nhiên phát triển khoa học kỹ thuật thời khơng đồng bộ, kết hợp kiến thức học, vật lý, vật liệu … thiếu Cho nên phạm vi ứng dụng khí nén cịn hạn chế Trang Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Mãi đến kỷ 17, nhà kỹ chế tạo người Đức Guerike, nhà toán học nhà triết học người Pháp Pascal, nhà vật lý người Pháp Papin xây dựng nên tảng ứng dụng khí nén Trong kỷ 19, máy móc thiết bị sử dụng lượng khí nén phát minh: vận chuyển ống khí nén (1835), Phanh khí nén(1880), búa tán đinh khí nén (1861) Trong lĩnh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes Thụy sĩ (1857) lần người ta sử dụng khí nén với cơng suất lớn Vào năm 70 kỷ thứ 19 xuất Pari trung tâm sử dụng lượng khí nén với cơng suất lớn 7350KW Khí nén vận chuyển tới nơi tiêu thụ đường ống với đường kính 500mm chiều dài km Tại nơi khí nén nung nóng lên tới nhiệt độ từ 500C đến 1500C để tăng công suất truyền động động cơ, thiết bị búa hơi… Với phát triển mạnh mẽ lượng điện, vai trò sử dụng lượng khí nén bị giảm dần Tuy nhiên việc sử dụng lượng khí nén đóng vai trò cốt yếu lĩnh vực mà sử dụng lựơng điện nguy hiểm, sử dụng lượng khí nén dụng cụ nhỏ, truyền động với vận tốc lớn, sử dụng lượng khí nén thiết bị búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh… Và nhiều dụng cụ khác đò gá kẹp chi tiết Sau chiến tranh giới thứ 2, việc ứng dụng lượng khí nén kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ Với dụng cụ , thiết bị, phần tử khí nén đ ược sáng chế ứng dụng lĩnh vực khác nhau, kết hợp nguồn lượng khí nén với điện – điện tử nhân tố định cho phát triển kỹ thuật điều khiển tương lai Hãng FESTO (Đức) có chương trình pahts triển hệ thống điều khiển khí nén đa dạng, khơng phục vụ cho cơng nghiệp mà cịn phục vụ cho phát triển phương tiện dạy học (Didactic) Các nhà máy cơng nghiệp sử dụng khí nén nhiều hoạt động sản xuất Khí nén tạo từ máy nén khí có cơng suất khoảng từ mã lực(hp) đến 50.000 mã lực Theo báo cáo quan lượng mỹ, năm 2003 cho thấy khoảng 70% - 90% khí nén bị tổn thất dạng nhiệt, ma sát, tiếng ồn sử dụng không Vì máy nén khí hệ thống khí nén khu vực quan trọng để nâng cao hiệu sử dụng lượng nhà máy cơng nghiệp Trang Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Hình 1.1: Biểu đồ xương cá hệ thống khí nén Cần lưu ý chi phí để vận hành hệ thống khí nén đắt nhiều so với chi phí mua máy nén khí (hình 6).Tiết kiệm lượng nhờ cải thiện hệ thống chiếm khoảng từ 20% đến 50% tiêu thụ điện, mang lại hàng trăm nghìn USD Quản lý hệ thống khí nén hợp lý giúp tiết kiệm lượng, giảm khối lượng bảo dưỡng, rút ngắn thời gian dừng vận hành, tăng sản lượng nâng cao chất lượng sản phẩm Maintenan ce: bảo trì Capital: Vốn Water: Hình 1.2: Các khoản chi phí hệ thống khí nén Một số đặc điểm hệ truyền động khí nén Về số lượng:có sẵn khắp nơi nên sử dụng với số lượng vơ hạn Về vận chuyển:khí nén vận chuyển dễ dàng đường ống, với khoảng cách định Các đường ống dẫn không cần thiết khí nén sau sử dụng cho ngồi mơi trường sau thực xong cơng tác Về lưu trữ:máy nén khí khơng thiết phải sử dụng liên tục.Khí nén lưu trữ bình chứa để cung cấp cần thiết Về nhiệt độ: khí nén thay đổi theo nhiệt độ Về phịng chống cháy nổ: khơng nguy gây cháy khí nén,nên khơng chi phí cho việc phịng cháy Khơng khí nén thường hoạt động với áp suất khoảng bar nên việc phịng nổ khơng q phức tạp Trang Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Về tính vệ sinh: khí nén sử dụng thiết bị lọc bụi bẩn, tạp chất hay nước nên thường , không nguy phần vệ sinh.Tính chất quan trọng ngành công nghiệp đặc biệt như: thực phẩm ,vải sợi, lâm sản thuộc da Về cấu tạo thiết bị: đơn giản nên rẻ thiết bị tự động khác Về vận tốc: khí nén dịng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt tốc độ cao (vận tốc làm việc xy-lanh thường 1-2 m/s) Về tính điều chỉnh: vận tốc áp lực thiết bị cơng tác khí nén điều chỉnh cách vô cấp Ưu, nhược điểm hệ thống truyền động khí nén Ưu điểm: - Do khả chịu nén (đàn hồi) lớn khơng khí, nên trích chứa khí nén cách thuận lợi - Có khả truyền tải lượng xa, độ nhớt động học khí nén nhỏ tổn thất áp suất đường dẫn - Đường dẫn khí nén (thải ra) khơng cần thiết - Chi phí để thiết lập hệ thống truyền động khí nén thấp, nhà máy, xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén có sẵn - Hệ thống bảo vệ áp suất đảm bảo Nhược điểm: - Lực truyền tải trọng thấp - Khi tải trọng hệ thống thay đổi vận tốc truyền thay đổi khả đàn hồi khí nén lớn, thực chuyển thẳng hoặc quay Dịng khí nén đường dẫn gây tiếng ồn Đơn vị đo hệ thống điều khiển 3.1 Áp suất Đơn vị áp suất theo hệ đo lường SI Pascal (Pa) Pascal áp suất phân bố bề mặt có diện tích 1m với lực tác động vng góc lên bề mặt 1Newton (N) 1Pa = 1N/m2 1Pa = kgm/s2/m2 = kg/m2 Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số Pascal Megapascal (MPa) Trang Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 1Mpa = 1000000 Pa Ngồi cịn sử dụng đơn vị bar: bar = 105 Pa Và đơn vị Kp/cm2 (theo tiêu chuẩn cộng hòa liên bang Đức) Kp/ cm2 = 0.980665 bar = 0.981 bar bar = 1.02 kp/ cm2 Trong thực tế coi: 1bar = 1kp/cm2 = 1at Ngồi số nước Anh, Mỹ cịn sử dụng đơn vị đo áp suất (psi) : 1bar = 15.4 psi 3.2 Lực Đơn vị lực Newton (N) N lực tác động lên đối tượng có khối lượng 1kg với gia tốc 1m/s2 3.3 Công Đơn vị công Joule (J) 1J công sinh tác dộng lực 1N để vật dịch chuyển quãng đường 1m, 1J = 1N.m 3.4 Công suất Đơn vị công suất Watt (W) 1W công suất thời gian 1giây sinh lượng 1J 1W = 1Nm/s 3.5 Độ nhớt động Độ nhớt động khơng có vai trị quan trọng hệ thống điều khiển khí nén Đơn vị độ nhớt động m2/s 1m2/s độ nhớt động chất có độ nhớt động lực 1Pa.s khối lượng riêng 1kg/m2 v = η/ρ Trong đó: η : Độ nhớt động lực (Pa.s) ρ: khối lượng riêng (kg/m3) v : độ nhớt động (m2/s) Cơ sở tính tốn khí nén 4.1 Thành phần hóa học khí nén Trang Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Nguyên tắc hoạt động thiết bị khơng khí khí quyển, hút vào nén máy nén khí Sau từ máy nén khí đưa vào hệ thống khí nén.Khơng khí loại khí hỗn hợp, bao gồm thành phần (bảng 1.1): Bảng 1.1 Các thành phần nguyên tố Thể tích % Khối lượng % N2 N2 Ar CO2 H2 Ne He Kr X 78.08 20.95 0.93 0.03 0.01 1.8 0.5 0.1 75.51 23.01 1.286 0.04 0.001 1.2 0.07 0.3 40 Ngoài thành phần trên, khơng khí cịn có nước, bụi … Chính thành phần gây cho thiết bị khí nén ăn mịn, gỉ Phải có biện pháp hay thiết bị để loại trừ hoặc giới hạn thấp thành phần hệ thống.( Trình bày chi tiết tiếp theo) 4.2 Phương trình trạng thái nhiệt động học Giả thiết khí nén hệ thống gần lý tưởng Phương trình trạng thái nhiệt tổng qt khí nén: Pabs.V = m.R.T (1) Trong đó: Pabs: áp suất tuyệt đối (bar) V : thể tích khí nén (m3) m : khối lượng (kg) R : số nhiệt (J/ kg.K) T : Nhiệt độ Kelvin (K) a) Định luật Boyle- Mariotte Khi nhiệt độ không thay đổi (T = số), theo phương trình nhiệt tổng qt (1) ta có: pabs.V = số (2) Nếu gọi: V1(m3 ) thể tích khí nén thời điểm áp suất p1 V2(m3 ) thể tích khí nén thời điểm áp suất p2 p1abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén tích V1 p2abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén tích V2 Theo phương trình ta có: Trang Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Hình 1.3: Sự phụ thuộc áp suất thể tích nhiệt độ khơng đổi Hình 1.3: biểu diễn phụ thuộc áp suất thể tích nhiệt độ thay đổi đường cong parabol b) Định luật Gay – Lussac Khi áp suất không thay đổi (p = số), theo phương trình ta có: Hình 1.4: Sự thay đổi thể tích áp suất số Trong đó: T1 : nhiệt độ thời điểm tích V1 (K) T2 : nhiệt độ thời điểm tích V2 (K) Hình 1.4 biểu diễn thay đổi thể tích áp suất số Năng lương nén lượng giãn nở khơng khí tính theo phương trình: c) Định luật Gay – Lussac Khi thể tích V thay đổi, theo phương trình (1) ta có: W = p(V2 – V1) Hình 1.5: biểu diễn thay đổi áp suất thể tích số Vì thể tích V khơng thay đổi nên lượng nén lượng giãn nở W=0 Trang 10 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Sơ đồ mạch điện: Bài tập 7: CỤM LẮP RÁP Chi tiết khối đựng hộp rơi tự xuống, lắp tự động hai chôt mối lắp chặt Tương tự chi tiết khối chốt trụ cuãng đựng thùng tự rơi xuống Xy lanh A đẩy chi tiết khối đến vị trí lắp đồng thời kẹp chặt Sau xy lanh B ép chốt trụ thứ vào khối lắp ráp Tiếp theo quy trình xy lanh C ép chốt thứ vào khối lắp ráp Sau xy lanh A xy lanh C quay Sau xy lanh B quay kết thúc chu trình lắp ráp chi tiết, sản phẩm rơi xuống băng tải Trang 109 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Sơ đồ mạch khí nén Sơ đồ mạch điện Trang 110 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Bài tập 8: MÁY KHOAN – DOA TỰ ĐỘNG Chương trình 1: Khoan Chi tiết gia cơng khoan kẹp tay lên bàn khoan Khi ấn nút khởi động chi tiết khoan (Xylanh A) Chương trình 2: Khoan doa Chi tiết gia công cần phải doa Tương tự kẹp tay lên bàn khoan Sau dùng nút chọn chương trình nút khởi động khoan (cho xylanh A hoạt động) Khi trình khoan kết thúc xy lanh B chạy định vị lỗ khoan vào vị trí doa Tiếp đến xy lanh C xuống để doa lỗ khoan Sau xy lanh C quay trở xy lanh B quay trở lấy chi tiết gia công Biểu đồ trạng thái xy lanh Bài giải: Chia tầng điều khiển * Thiết kế mạch khí nén Trang 111 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Sơ đồ mạch điện Bài tập 9: THIẾT BỊ GÁ KẸP MÀI Chi tiết gia công trượt dẫn hướng đƣợc bào qua Nó đưa lên máy mài tay dùng khí nén để kẹp chặt lại Sau mài vai bên trái bên phải Khi xy lanh A chuyển động đến vị trí ngồi xy lanh giữ áp suất kẹp dẫn tiến dọc B chuyển động Như lúc mài xong vai bên phải Tiếp đến xy lanh tiến ngang C Sau đến dẫn tiến dọc Lúc vai phía bên trái mài xong Khi xy lanh C quay vị trí ban đầu xy lanh A nhả chi tiết mài Kết thúc hành trình mài Bài giải: Chia tầng điều khiển: Trang 112 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Sơ đồ mạch khí nén: Mạch điều khiển điện: Trang 113 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Bài tập 10: Với yêu cầu tập thiết kế mạch điều khiển điện- khí nén theo phương pháp điều khiển nhịp Biểu đồ trạng thái xy lanh Bài giải: Sơ đồ mạch điều khiển khí nén Sơ đồ mạch điện điều khiển Trang 114 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Bài tập 11: Với yêu cầu tập Hãy thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén theo phương pháp điều khiển nhịp Biểu đồ trạng thái xylanh Bài giải: Sơ đồ mạch điều khiển khí nén Sơ đồ mạch điện điều khiển Trang 115 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Bài tập 12: Với yêu cầu tập Hãy thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén theo phương pháp điều khiển nhịp Biểu đồ trạng thái xy lanh Bài giải: Sơ đồ mạch điều khiển khí nén Sơ đồ mạch điện điều khiển Trang 116 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Cài đặt phần mềm điều khiển điện – khí nén Giới thiệu chung: FluidSIM phần mềm hoàn hảo cho sáng chế, mô phỏng, giảng dạy nghiên cứu mạch điện - khí nén, thủy lực mạch số Tất chức chương trình tương tác với cách trơn tru, kết hợp hình thức đa phương tiện nguồn thông tin khác biểu mẫu truy nhập cách dễ dàng FluidSIM Trang 117 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 kết hợp trình biên tập sơ đồ mạch trực quan với mô tả chi tiết tất thành phần, ảnh cấu thành, hoạt ảnh hình chiếu cắt chuỗi video Các điểm bật: - Các thư viện thành phần mở rộng tùy chỉnh - Ký hiệu phận cấu thành theo DIN ISO 1219 - Có nhiều chức CAD chức cải thiện đáng kể (căn chỉnh, nhóm vẽ layer…) - Mô-đun xây dựng van - Chức in ấn với nhiều khả tùy chỉnh khác - Các phiên danh sách phần tự động hóa tùy chỉnh - Bộ mơ tả kết nối - Bộ ghi thể trực quan giá trị ấn định - Hỗ trợ đơn vị đo không thuộc hệ đo lường quốc tế (lbf, psi, gal) - Giao diện thích hợp - Tài liệu giảng dạy đƣợc sửa đổi cập nhật - Được tối ưu hoá cho Windows 98/ME/2000/XP Với phiên festo fluidsim 3.6 (chỉ sử dụng thiết kế mạch điều khiển khí nén, điện – khí nén): - Sự mơ thành phần số - Đánh số đường dẫn hành chuyển đổi bảng phần tử cách tự động - Thư viện sơ đồ mạch mở rộng sửa đổi - Hiển thị giá trị thành phần với đếm xử lý độ trễ - Các giá trị điều chỉnh có xylanh khí nén - Van tiết lưu chạy khí nén Cài đặt phần mềm festo fluidsim 3.6 - Từ cài fluidsim 3.6 , Double click vào file chạy: Trang 118 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 - Khi click vào file chạy lên lựa chọn Ta chọn “yes” Trang 119 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 - Sau lựa chọn thư mục nơi đến Thường phần mềm mặc định nơi đến ổ C – Program file Click chuột vào lựa chọn “ next” - Click chuột vào lựa chọn “next” lựa chọn ngăn thực đơn để khởi động - Trên hình ta chọn “ next” để bổ xung biểu hình destop Trang 120 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 - Click chuột lựa chọn “ install” - Cài đặt sẵn sàng để bắt đầu thiết đặt Festo fluidsim máy tính bạn - Chương trình bắt đầu cài đặt - Chọn “ Finish” để kết thúc trình cài đặt Trang 121 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 - Trên hình máy tính giao diện Fluidsim TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển khí nén, NXB Giáo dục, năm 2005 [2] Nguyễn Thành Trí, Điều khiển khí nén tự động hóa kỹ nghệ, NXB Đà Nẵng,2000 [3] Trần Xuân Tùy, Giáo trình Truyền động thủy khí, Khoa Cơ khí Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2005 [4] Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật , 2005 Trang 122 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Trang 123 ... Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Trang 14 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 4.5 Lưu lượng khí nén qua khe hở Trang 15 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Hình... KTKT Q12 4.6 Tổn thất áp suất khí nén Tính tốn xác tổn thất áp suất hệ thống điều khiển khí nén là: Trang 18 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường TC KTKT Q12 Trang 19 Giáo trình ĐK Điện Khí Nén Trường. .. TC KTKT Q12 - Về kiến thức: Hiểu hệ thống khí nén, logic điều khiển, phương pháp điều khiển, thiết lập mạch điều khiển điện khí nén - Về kỹ năng: + Hình thành kỹ lập chương trình điều khiển +